Кіріспе

Жартылай өткізгіш өндірісінде төменгі κ – кремний диоксидіне шаққанда салыстырмалы диэлектрлік тұрақтысы (κ, каппа) кішкентай материал. Төменгі κ диэлектрлік материалды қолдану – микроэлектрондық құрылғылардың өлшемдерін үнемі кішірейте беруге мүмкіндік беретін стратегиялардың бірі, бұл көбінесе Мур заңының жалғасуы деп аталады. Цифрлық тізбектерде оқшаулағыш диэлектриктер өткізгіш бөліктерді (сымдық байланыстар мен транзисторларды) бір-бірінен бөліп тұрады. Компоненттердің өлшемдері кішірейгенде және транзисторлар жақындағанда, оқшаулағыш диэлектриктер жұқарып, заряд жиналуы мен өзара әсер ету құрылғының жұмысына кері әсер ететіндей деңгейге жетеді. Кремний диоксидін бірдей қалыңдықтағы төменгі κ диэлектригімен алмастыру паразиттік сыйымдылықты азайтады, соның нәтижесінде синхронды тізбектерде жылдамрақ ауысу жылдамдығы және аз жылу шығыны қамтамасыз етіледі. Әңгіме кезінде мұндай материалдарды "low κ" (каппамен айтылатын) емес, "low k" (кеймен айтылатын) деп атауға болады.

К-тегі төмен материалдар

Интегралды схемалар мен CMOS құрылғыларында кремний диоксиді термиялық тотығу арқылы Si бетінде оңай түзіледі, сондай-ақ химиялық фазалық осаудан немесе әртүрлі басқа жұқа пленка жасау әдістерін қолдана отырып, өткізгіштердің бетіне жапсырылуы мүмкін. Кремний диоксиді қабаттарын арзан бағада жасауға болатын әдістердің кең диапазоны болғандықтан, бұл материал әдетте басқа төмен диэлектрлік тұрақтылығы бар диэлектриктермен салыстыру үшін негізгі өлшем ретінде қолданылады. Силикон чиптерінде әлі де қолданылып жүрген оқшаулағыш материал SiO2-нің салыстырмалы диэлектрлік тұрақтылығы 3,9-ға тең. Бұл сан – SiO2-нің диэлектрлік өтімділігін вакуумның диэлектрлік өтімділігіне (εSiO2/ε0) бөлгендегі қатынас, мұнда ε0 = 8,854×10−6 пФ/мкм. Салыстырмалы диэлектрлік тұрақтылығы төмен материалдар көп, бірақ олардың аз ғана бөлігі өндіріс процесіне сәйкес келеді. Зерттеу жұмыстары негізінен келесі материалдар кластарына бағытталған:

Фтормен коктейльденген кремний диоксиді

Фтормен SiO2-ны допингтеу арқылы фторланған кремний шынысын жасау нәтижесінде, салыстырмалы диэлектрлік тұрақты 3,9-дан 3,5-ке дейін төмендейді. Фтор қосылған оксид материалдары 180 нм және 130 нм технологиялық түйіндерінде қолданылды.

Органосиликатты шыны немесе ОСГ (көміртекті оксид немесе CDO)

SiO2-ны көміртегімен допингтеу арқылы салыстырмалы диэлектрлік тұрақтыны 3,0-ға, тығыздықты 1,4 г/см³-қа және жылу өткізгіштігін 0,39 Вт/(м·К)-қа дейін төмендетуге болады. Жартылай өткізгіш өнеркәсібі 90 нм технологиялық түйінінен бастап органосиликатты шыны диэлектриктерін пайдаланып келеді. Бірінші қадамда, органикалық бұзылатын фаза (пороген деп белгілі) органосиликатты фазамен бірге қосымша жағу арқылы органикалық-органикалық емес гибридтік материал алынады. Екінші қадамда, органикалық фаза 400 °C-қа дейінгі температурада УФ-сәулелендіру немесе қыздыру арқылы ыдырайды, нәтижесінде төмен κ органосиликатты материалдарда тесіктер пайда болады. Кеуекті органосиликатты шынылар 45 нм технологиялық түйінінен бері қолданылып келеді.

Спин-он органикалық полимерлік диэлектрик материалдар

Полимерлік диэлектриктер көбінесе спин-он әдісімен жалатылады, бұл әдетте фоторезист материалдарын жалату үшін қолданылатын тәсіл, ал химиялық бу фазасынан жалату сирек қолданылады. Интеграциялаудағы қиындықтарға төмен механикалық күш, жылулық кеңею коэффициентінің (ЖКК) үйлеспеуі және жылулық тұрақтылық жатады. Аз κ органиқалық полимерлердің мысалдары: полиимид, полинорборнендер, бензоциклобутен және ПТФЕ.

Спин-он кремний негізіндегі полимерлік диэлектрик

Кремнийге негізделген полимерлік диэлектрлік материалдардың екі түрі бар: сутегілі сильсесквиоксан және метилді сильсесквиоксан.

Ауа аралары

Ең төменгі диэлектрлік тұрақтысы бар материал – ауа, оның салыстырмалы диэлектрлік өтімділігі ~1,0-ға тең. Бірақ, өткізгіш сымдар арасында ауа қуыстарын орналастыру интегралдық схеманың механикалық беріктігіне зиян келтіреді, сондықтан ауадан ғана тұратын оқшаулағыш материалдан жасалған интегралдық схеманы құру мүмкін емес. Дегенмен, ауа қуыстарын стратегиялық түрде орналастыру чиптің электрлік көрсеткіштерін оның сенімділігіне едәуір зиян келтірмей жақсарта алады. Мысалы, Intel өзінің 14 нм FinFET технологиясында екі металл аралық деңгейде ауа қуыстарын пайдаланады.